सामग्री का परिचय: प्रकृति और गुण (भाग 1: सामग्री की संरचना)

प्रो आशीष गर्ग

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, कानपुर

व्याख्यान - 27

गैर-क्रिस्टलीय ठोस चश्मे की संरचना

(स्लाइड समय देखें: 00:20)

इस व्याख्यान में, हम क्रिस्टलीय ठोस की संरचना पर चर्चा करेंगे, और हम चश्मे के साथ शुरू होगा ।

(स्लाइड समय देखें: 00:33)

मैं आपको पिछले दो व्याख्यानों का संक्षिप्त रूप देता हूं । इसलिए, पिछले दो व्याख्यानों में, हमने आयनात्मक रूप से बंधुआ ठोस पदार्थों की संरचनाओं पर चर्चा की जो मूल रूप से सिरेमिक भी हैं, और उनमें से कई ऑक्साइड हो जाते हैं, लेकिन कार्बाइड, क्लोराइड, हैलाइड आदि जैसी सामग्रियां हैं। हमने देखा कि ये संरचनाएं cations और anions के कोडांतरण पर आधारित हैं, और संभावित ऊर्जा के उन्मूलन के आधार पर, वे क्रिस्टल संरचनाओं जिसमें cations और anions एक आदेशित फैशन में व्यवस्थित कर रहे है बनाने के लिए करते हैं । तो, क्या होता है कि चूंकि आयन बड़े होते हैं, इसलिए एनियन आमतौर पर आधार जाली बनाते हैं। इसलिए, वे सामग्री में आधार जाली बनाते हैं; उदाहरण के लिए, यह एफसीसी आधारित संरचना हो सकती है, यह एचसीपी आधारित संरचना हो सकती है, या यह गैर-एफसीसी हो सकती है, लेकिन घन या यह गैर-घन भी हो सकता है।

इन तीन श्रेणियों में जहां एनियन एक आधार जाली बनाते हैं, लेकिन उन्होंने खुद को चेहरे पर केंद्रित घन जाली के रूप में पैक किया या षट्कोणीय क्लोज-पैक जाली रूप में। Cations जाते हैं और मध्यवर्ती पर कब्जा करते हैं, जो आम तौर पर ऑक्टाहेड्रल और टेट्राहेड्रल होते हैं, लेकिन वे किसी अन्य प्रकार के मध्यवर्ती कोशिका हो सकते हैं जिसे उन्होंने अपने त्रिज्या अनुपात के आधार पर कब्जा कर लिया था। इसलिए, हमने चर्चा की कि त्रिज्या अनुपात कुल मिलाकर निर्धारित करता है कि कौन सा स्थानों को इंटरस्टीरियल्स करेगा, और परिणामस्वरूप, आप विभिन्न संरचनाएं बनाते हैं।

(स्लाइड समय देखें: 02:35)

हमने विभिन्न प्रकार की सामग्रियों को देखा जैसे घन श्रेणी में, हमने सोडियम क्लोराइड और जिंक सल्फाइड या जिंक ब्लेड संरचनाओं, कैल्शियम फ्लोराइड आधारित संरचनाओं और स्पाइनल संरचनाओं को देखा, जो एबी हैं₂हे₄ संरचनाओं की तरह, और फिर हमने कुछ अन्य संरचनाओं जैसे पेरोवस्काइट, सीएससीएल आदि को देखा। और, फिर हमने वाईबीसीओ, एलएससीओ जैसे कुछ गैर-घन संरचनाओं को देखा, ये यौगिक टेट्रागोनल, ऑर्थोहोम्बिक इकाई कोशिकाओं को बनाते हैं, और फिर हमने जिंक सल्फाइड आधारित वर्ट्ज़ाइट संरचना से शुरू होने वाली एचसीपी संरचनाओं को देखा, और फिर हमने कॉर्डम आधारित संरचनाओं को देखा और फिर कोरुंडलम के व्युत्पन्न संरचनाओं जैसे इलेनाइट, लिथियम निओबेट और इसलिए देखा और फिर हमने रुति संरचना को देखा। इसलिए, ये बहुत ही सामान्य संरचनाएं थीं जो आप आयनिक ठोस में आते हैं। हालांकि, कुछ ऑक्साइड हैं जिनमें सहसंयोजक संबंध का एक बड़ा अंश होता है, और वे गैर-क्रिस्टलीय रूप में क्रिस्टलाइज करते हैं।

(स्लाइड समय देखें: 04:10)

इस व्याख्यान में, हम उन सामग्रियों के साथ शुरू करेंगे जो गैर-क्रिस्टलीय सामग्री हैं जिनके पास लंबी दूरी पर आवधिक संरचना नहीं है। वे कम दूरी पर आवधिकता हो सकता है, आम तौर पर कुछ नैनोमीटर के आदेश की । इसलिए, उनके पास छोटी श्रेणियों पर आवधिकता हो सकती है, लेकिन लंबी दूरी पर कोई आवधिकता नहीं है। उदाहरण के लिए, कम दसियों और सैकड़ों नैनोमीटर देखें, और आवधिकता टूट जाती है।

इसलिए, उनके पास कम दूरी पर आवधिकता हो सकती है, लेकिन उनके पास लंबी दूरी की अवधि के ऊपर आवधिकता नहीं है। नतीजतन, उनके पास अलग-अलग बॉन्ड लंबाई होती है, इसलिए यदि आप ऊर्जा न्यूनतम को देखते हैं तो यह कुछ इस तरह से जाता है। इसलिए, यह संभावित ऊर्जा है, और यह दूरी है। यदि सामग्री में अलग-अलग बॉन्ड लंबाई है, तो इसका मतलब है कि आपके पास अलग-अलग बॉन्ड ऊर्जा होगी, और यदि आपके पास अलग-अलग बॉन्ड ऊर्जा है, तो आपके पास तापमान की एक श्रृंखला है जिस पर पिघलने होता है। इसलिए, यहीं से उनके पिघलने की घटना बहुत विकराल है।

और, यह मूल रूप से कांच की तरह व्यवहार करने वाली सामग्रियों की विशेषता है, और परिणामस्वरूप उनके पास टीजी के रूप में कुछ कहा जाता है, जिसे ग्लास संक्रमण तापमान कहा जाता है। इसलिए, मैं कांच के गठन के थर्मोडायनामिक्स और काइनेटिक्स के विवरण में नहीं जाऊंगा, लेकिन ये सामग्री क्रिस्टलीय रूप में खुद को क्रिस्टलाइज नहीं करती हैं। नतीजतन, वे ऐसी संरचनाएं बनाते हैं जो गैर-आवधिक ग्लासी संरचनाएं हैं।

(स्लाइड समय देखें: 06:57)

(स्लाइड समय देखें: 06:59)

इसलिए यह एक प्राकृतिक कांच है जो उल्कापिंड के प्रभाव से बनता है। इसे मोलदाविट कहा जाता है, इसमें इस मामूली हरे रंग की बनावट है, और इसमें पारदर्शिता की तरह गुच्छे हैं। इसलिए, इसमें यह स्वाभाविक रूप से जम गई संरचना है, जो एक शीशे की संरचना है। एक और गिलास, जिसे ट्रिनाइट कहा जाता है, ट्रिनिटी परमाणु हथियार परीक्षण द्वारा बनाया गया है। इसलिए, फिर से यह ठोसकरण आया है जिसके परिणामस्वरूप आवधिक संरचना का निर्माण नहीं होता है।

इसी तरह इन चश्मे के भी ढेरों आवेदन आते हैं। उदाहरण के लिए, जब आप इन चश्मे में अशुद्धियों को जोड़ते हैं, तो ये अशुद्धियां इसे अलग-अलग रंग देती हैं। तो, आप देख सकते हैं कि चश्मे के ये अलग-अलग रंग और वे सभी पारदर्शी हैं। आप चश्मे की उस गुणवत्ता को देख सकते हैं कि चूंकि कांच कम तापमान पर पिघलता है, इसलिए इसमें पिघलने के तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला होती है। नतीजतन, इसे विभिन्न आकृतियों में डाला और उड़ाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, स्लाइड में दिखाए गए ग्लास से बाहर एक जटिल आकार। यह पारदर्शी के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अपारदर्शी हो सकता है, पर निर्भर करता है कि तुम कैसे इसके अंदर क्या है में बनाते हैं । इसलिए, ग्लास एक बहुत ही महत्वपूर्ण और बहुत ही आकर्षक सामग्री है, और कांच की इसकी ठोस घटना बहुत अच्छी तरह से समझ में नहीं आती है, और इसका भौतिकी अभी भी हैरान करने वाला है।

(स्लाइड समय देखें: 08:35)

तो, आप देख सकते हैं कि यह एक पारदर्शी खिड़की ग्लास है यह एक पेंटिंग है जिस पर आपके पास ग्लास कवर है, यह एक पिंजरे रोमन पिंजरे कप है जो चौथी शताब्दी ईस्वी से है। तो आप देख सकते हैं कि चौथी सदी में आपके पास चश्मा था। तो, कांच कुछ है कि लंबे समय के लिए अस्तित्व में किया गया है । इंसान कई तरह के एप्लीकेशंस में उनका इस्तेमाल कर रहा है । हालांकि, यह कुछ ऐसा है जो क्रिस्टलीय सामग्रियों की तुलना में धातुओं के रूप में भी नहीं समझा जाता है।

(स्लाइड समय देखें: 09:05)

इन चश्मे की एक किस्म गैर क्रिस्टलीय सिलिका होता है । इसलिए, चश्मे का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनका उपयोग जहाजों और खिड़कियों जैसी चीजों को गढ़ने के लिए किया जाता है जैसा कि हम दैनिक बर्तनों, कुम्हारों आदि पर देखते हैं। अधिकांश समय, मूल घटक यह ग्लास सिलिका, एसआईओ होता है₂. तो, एसआईओ₂ इन चश्मे के बुनियादी भवन ब्लॉक होता है, और यह असंगत चरण मूल रूप से, जो हमारे पास कमरे के तापमान पर है, यह ठोसकरण पर क्रिस्टलाइज करता है। यदि तरल एक ही संरचना में जमना पर जमे हुए है ।

हम कांच में बहुत सारी अशुद्धियां जोड़ते हैं, उदाहरण के लिए, बोरोन ऑक्साइड, सोडियम ऑक्साइड, पोटेशियम ऑक्साइड, इन सभी अशुद्धियों को कांच में मिलाया जाता है ताकि चिपचिपाहट को संशोधित किया जा सके और इसे नरम या कठिन बनाया जा सके और ये अशुद्धियां कांच के संक्रमण के तापमान को भी बदल देती हैं, जिस पर वर्ग नरम होगा, और बड़ा ग्लास पिघल नहीं जाएगा।

(स्लाइड समय देखें: 10:30)

जैसा कि मैंने कहा कि चश्मे में आवश्यक मुद्दा यह है कि वहां विभिंन लंबाई के बांड और इस अलग लंबाई बांड हैं, जैसा कि मैंने आपको पिछली स्लाइड में बताया था, इन बांडों की विभिन्न लंबाई, उदाहरण के लिए, यह एक संभावित ऊर्जा साजिश है । तो, यह ई बनाम आर है, यदि आपके पास विभिन्न लंबाई के बंधन हैं, तो, हम आर कहते हैं₁आर₂, आर 3, आर₄आर। क्रिस्टलीय सामग्री के मामले में आपके पास आर में मिनीमा है_हे, और यही आपके पास सभी जगह है। चश्मे के मामले में क्या होता है कि जब से आप बांड लंबाई की इस भीड़ है, जिसका अर्थ है कि आप एक ऊर्जा आर के लिए इसी है₁ ई है₁, आर के अनुरूप ऊर्जा₂ ई है₂, यह करने के लिए, यह ई है₃ यह फिर से यह ई है₄, और यह फिर से ई है₅.

तो, आप ऊर्जा की इस भीड़ है, और ऊर्जा की इन भीड़ का मतलब होगा आप कुछ अर्थों में कई है यह कई पिघलने अंक होने की तरह है, और यही वजह है कि कई बार चश्मे के लिए एक विसारित व्यवहार किया है और यही वजह है कि ठोसकरण तापमान की एक श्रृंखला पर जगह लेता है बजाय एक ही तापमान पर और यह है कि क्या चश्मा एक तापमान ग्लास संक्रमण तापमान के रूप में कहा जाता है जो है टी के रूप में कहा जाता है_{ग्राम}.

बहु दो-तीन तापमान हैं जिनमें आमतौर पर चश्मे के संदर्भ में बात की जाती है, हम उसमें नहीं मिलेंगे । मुफ्त मात्रा की अवधारणा है, और इसी तरह। तो, हम शायद छोड़ देंगे कि, लेकिन मैं सिर्फ इस बात पर जोर देना चाहता था कि यह कारण है कि आपके पास विभिन्न प्रकार के बांड लंबाई हैं, और विभिन्न प्रकार के बांड लंबाई सामग्री को तापमान की एक श्रृंखला पर कई जमना करने के लिए मजबूर करती है।

(स्लाइड समय देखें: 12:55)

तो, अब मुझे नोटों को वापस मिलता है । तो, एक गिलास में बुनियादी इमारत ब्लॉक चश्मे की एक किस्म में है उन सभी को नहीं है, लेकिन कक्षाओं की एक सबसे किस्म में SiO है₂ जिसे सिलिका कहा जाता है और कुल मिलाकर सिलिका की संरचना ऐसी होती है कि इसमें लगभग 50% आयनिक बॉन्ड और 50% सहसंयोजक बंधन होता है। अब, यदि आप एसआई का त्रिज्या अनुपात लेते हैं⁴⁺ और हे^2-, त्रिज्या अनुपात लगभग 0.29 है, यह 0.225 से 0.414 के बीच गिर जाता है। नतीजतन, इसमें टेट्राहेड्रल होना चाहिए, इसे टेट्राहेड्रल समन्वय के लिए पसंद किया जाता है।

(स्लाइड समय देखें: 14:15)

तो, तुम क्या करने जा रहे है सिलिकॉन के इस परमाणु है, और यह एक ऑक्सीजन से घिरा हुआ है यहां एक और ऑक्सीजन यहां, ऑक्सीजन यहां, और यहां ऑक्सीजन । अब, यदि आप शुल्क के योग को देखें, तो सिलिकॉन में 4 प्लस है, और ऑक्सीजन में 2 माइनस और 2 माइनस 4 में है, सही है। इसलिए, यह टेट्राहेड्रल स्वयं एक चार्ज होगा, जो -4 है। इसलिए, यदि आप इसे एक इकाई के रूप में बनाते हैं, तो इस इकाई में 4 माइनस चार्ज होगा, जिसका अर्थ है कि इसकी आवश्यकता है, टेट्राहेड्रल जीवित नहीं रह सकता है, इसे अन्य टेट्राहेड्रल से जोड़ना होगा। तो, कि यह आरोप तटस्थ हो जाता है, तो मूल रूप से आप कह सकते है यह विद्युत असंतुलित है । इसलिए मैं ऐसा कह सकता हूं। इसलिए, यह माइनस चार्ज है एक विद्युत असंतुलन की आवश्यकता है, और यह पॉलीहेड्रा के बंटवारे की आवश्यकता है।

अब यह बंटवारा कैसे होता है, जिसका मतलब ऑक्सीजन होता है, जो भी ऑक्सीजन होती है, उसे पॉलीहेड्रा के बीच बांटना पड़ता है? तो, यह कैसे काम करता है, और यह टेट्राहेड्रल है जहां आप कह सकते हैं कि यह टेट्राहेड्रल आप एसआईओ में विशेषता कर सकते हैं₄, 4 माइनस टेट्राहेड्रा। इसलिए, यदि मैं एक टेट्राहेड्रल बनाता हूं, और उस टेट्राहेड्रल के बीच में। तो, इस tetrahedral के बीच में, आप होगा। तो, यह यहां एक बांड कर देगा, यहां बांड, केंद्र में यहां बांड आप एक सिलिकॉन आयन होगा ।

(स्लाइड समय देखें: 16:56)

अब जिस तरह से टेट्राहेड्रल कॉर्नर शेयर करके शेयर कर सकते हैं, पॉलीहेड्रा शेयर कर सकते हैं, वह फेस शेयरिंग से हो सकता है । वास्तव में, कोने साझा करने के बाद, यह बढ़त साझा करने के बाद होगा क्योंकि जो बढ़त साझा करने वाले कोने-चेहरे के बंटवारे को नियंत्रित करेगा, उसके आधार पर यह cations के बीच की दूरी को साझा करेगा ।

उदाहरण के लिए, यदि आप चेहरे को साझा करने वाले टेट्राहेड्रल को देखते हैं, तो आपके पास एक टेट्राहेड्रल है, हमें इस तरह से कहना चाहिए कि यह सब ठीक है, और यदि आप इसके शीर्ष पर एक और टेट्राहेड्रल बैठते हैं तो यह वह चेहरा होगा जिसे साझा किया जाता है। तो, यह एक सिलिकॉन परमाणु यहां बैठा है, और एक और सिलिकॉन परमाणु यहां कहीं बैठता है । तो, यह सिलिकॉन परमाणु सी-सी दूरी के बीच की दूरी है, और यह चेहरा साझा है। इसलिए, यदि मैं इसे इस तरह से आकर्षित करता हूं, तो यह है कि यह कैसे हो रहा है कि ऐसा कुछ होगा । इसलिए, आप चेहरे को साझा करने वाली तरफ से एक टेट्राहेड्रल आ रहे हैं।

तो, यह आर होने जा रहा है_{एसआई-एसआई} उदाहरण के लिए, आपके पास जो होगा, उसकी तुलना में, एज-शेयरिंग। तो, अगर आप बढ़त साझा है यह आपका सिलिकॉन परमाणु है, हम कहते है कि यह आपका सिलिकॉन परमाणु है, ये आपके ऑक्सीजन परमाणु हैं । इसलिए, दो उपस्थित होने जा रहे हैं, और एक यहां कहीं उपस्थित होने जा रहा है । अत, आप इस तरह के टेट्राहेड्रल करेंगे और यह अन्य टेट्राहेड्रल केवल इसी तरह कहीं उपस्थित होने जा रहा है।

तो, यह एक और सिलिकॉन परमाणु है, और अन्य दो ऑक्सीजन परमाणुओं कहीं यहां होने जा रहे हैं, और यहां यह है, उदाहरण के लिए, tetrahedral सब ठीक है, यह बढ़त साझा है । इसलिए, यह साझा बात है, और इस मामले में यह साझा चेहरा है। यह एक साझा चेहरा है, यह साझा बढ़त है। तो, आप देख सकते हैं कि यह फिर से इन दोनों परमाणुओं के बीच एक दूरी है। तो, आर_{एसआई-एसआई} यह हमें चेहरा कहना है, यह है हमें बढ़त कहते हैं, और फिर तीसरे विन्यास है कि संभव होने जा रहा है आप सिलिकॉन परमाणु, सिलिकॉन परमाणु आप एक ऑक्सीजन परमाणु है जो उन दोनों के लिए आम है और अंय परमाणुओं के लिए कुछ पर मौजूद होने जा रहे है जा रहे हैं । तो, यह दूरी अब फिर से हमारे सिलिकॉन सिलिकॉन है, और यह फिर से ऑक्सीजन है यह आपका कोना साझा है ।

तो, यह आपको फिर से देने जा रहा है_{एसआई-एसआई}, चेहरे के बंटवारे के मामले में छोटे से छोटा होने जा रहा है, तो यह cationic प्रतिकर्षण के मामले में नतीजों है । आप देख सकते हैं कि चेहरे के मामले में साझा पॉलीहेड्रल, और कोने और किनारे साझा करने के मामले में विरोध के रूप में मजबूत cationic प्रतिकर्षण होने जा रहा है।

(स्लाइड समय देखें: 20:57)

इसलिए, कुल मिलाकर, cationic प्रतिकर्षण को कम करने के लिए, इसलिए अलगाव को बड़ा होने की आवश्यकता है। नतीजतन, पॉलीहेड्रा के चेहरे के बंटवारे पर कोने या किनारे साझा करना पसंद किया जाता है। तो, जैसा कि एसआईओ के मामले में होता है₄पर, सिलिका टेट्राहेड्रल कॉर्नर शेयरिंग को तरजीह दी जाती है लेकिन इस बात की गारंटी नहीं है कि यह सब ठीक होने वाला है।

इसलिए, आइए पहले क्रिस्टलीय सिलिका संरचना को देखें और फिर हम सिलिका संरचनाओं के अन्य रूपों को देखें।

(स्लाइड समय देखें: 22:18)

इसलिए, पहली बात यह है कि यदि आप इसे धीरे-धीरे ठंडा करते हैं और यदि आप सही परिस्थितियों को प्राप्त करते हैं तो यह एक संरचना बना देगा, आपके यहां जो कुछ है वह सिलिकॉन टेट्राहेड्रल की तरह है। तो, हम कहते हैं कि यह टेट्राहेड्रल टॉप व्यू है, दूसरा टेट्राहेड्रल इस तरह से जुड़ा हुआ है यह दूसरा टेट्राहेड्रॉन है। तीसरे टेट्राहेड्रल में इस तरह के अंदाज में मौजूद है और चौथा फिर से। और, यह एक आदमी के साथ यहीं साझा किया जा रहा है, और फिर मैं एक यहां है जा रहा हूं, और यह एक या दूसरी तरह के आसपास होगा, इस तरह । इसलिए, यह कैसे जारी रहेगा और यदि आप जारी रखते हैं। यह 3डी है, और आप एक सिलिकेट नेटवर्क बनाएंगे।

तो, यह इस का रूप है सिलिका अणुओं की षट्कोणीय चादरें एक क्रिस्टलीय रूप में व्यवस्थित षट्कोणीय परतों का एक आवधिक पैटर्न है कि विकृत कर रहे हैं । इसलिए, यह पहली संरचना क्रिस्टलीय रूप है जो वे बनाते हैं। यदि आप इन्हें तोड़ते हैं, तो बांड बदलने के लिए यहां या यहां या यहां के कोनों, और यदि आप इसे यादृच्छिक तरीके से अधिक में होने के लिए प्रबंधित करते हैं, तो आप क्या करेंगे सिलिका का असंगत रूप होगा। इसलिए हम यहां टूट जाएंगे। आह, हम अगले व्याख्यान में क्रिस्टलीय ठोस के शेष रूपों को देखो।